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主机海水冷水冷却系统

1.冷却水系统的作用

       柴油机动力中的一些机械设备在正常运行中产生热量。热量必须及时分配;否则加热元件的温度会继续升高,超过允许范围,并会损坏机械设备的可靠性。为了以有效的方式立即分配这些卡路里,通常让一定量的液体连续流过散热器并将热量带出设备。冷却系统通常使用淡水,海水或河水作为冷却介质。 冷却系统带走的大量热量是由燃料产生的余热,通常约为20%至30%。由于柴油发动机是热力发动机之一,就是靠燃料热量的燃烧来工作,所以散热是带走热量的。显然,冷却强度越大,这部分损失越大,柴油经济的减少就越明显。另一方面,由于受热部件的温度高,所以缸内壁的平均温度可以达到200℃至300℃,并且与冷却水接触的表面温度低,在这样的温度差下容易发生热应力。温差太大而无法破解零件。 可以看出,柴油机对冷却过程有严格的要求。冷却系统的作用是冷却强制驱动的柴油发动机,将每个受热部件的温度控制在允许范围内,同时保持合适的冷却水温度并使用合适的冷却介质以确保其正常和可靠的运行。 在确定冷却水的温度时,必须充分考虑到缺少冷却或过度冷却。如冷却不足会使零件过热,导致材料力学性能下降,从而产生热应力和变形,破坏表面正常间隙,也造成过度磨损甚至损坏。冷却也会带来太高的油温;缩短油品的使用寿命,造成油品变质和焦化,破坏油膜失去润滑。相反,过度冷却会使冷却液吸收太多热量,从而降低柴油机的经济性。在使用含硫量高的油时,过度的冷却会使汽缸形成硫酸,并腐蚀汽缸壁和活塞。因此,冷却水系统的热平衡计算非常重要。 在船上使用柴油发电厂时,对冷却机器和设备的需求是: ①主副柴油机。包括汽缸,活塞,喷油器和增压器。 ②主,辅柴油机油冷却器,淡水冷却器和其他换热器。 ③轴承等。 ④空气压缩机,冷凝器等设备。 ⑤其他机械设备或换热器。如空调,制冷机组,甲板机械,液压系统等。 在这些机器和设备中,主机需要更多的散热。因此,船舶冷却系统构成以主冷却管为中心的冷却系统,其他机械设备冷却管,以及各种冷却辅助设备。


2.冷却水系统的基本形式
2.1开放式冷却水系统
       开放式冷却水系统是指柴油机直接由舷外水或河水自行冷却。 开放式系统的优势在于该单元易于管理和维护。 缺点是舷外水质差,河水中含有杂质,海水中含有各种氯盐,会堵塞冷却空间或造成部件腐蚀,产生水垢,降低热效率。 对于盐的沉淀,海水温度应低于50〜55℃,高温部件不能使用。 由于柴油机冷却水温一般在60℃以上,高速机应达到80℃〜90℃。 所以现在除了河船之外,开放系统还没有应用。

2.2封闭式冷却水系统
       与敞开式系统相对应,封闭式冷却水系统是柴油发动机本身由淡水冷却,淡水由热交换器由外侧水冷却。也就是说,系统中的淡水进行封闭循环,并且通过另一个开放式冷却系统关闭淡水冷却,而不是柴油机本身进行冷却。所以它有很多优点 ⑴在机器中循环清洁的新鲜水,不易堵塞。 ⑵清水不易结垢,保证传热效果好,延长部件的使用寿命。 ⑶不受海水温度限制的海水沉淀,可以使用较高的冷却水温度来提高热效率。 ⑷缩短气缸时间,提高机动性。当水箱温暖时,淡水不会通过冷却器或关闭海水。  
2.3.中央冷却水系统 为了使除主机之外的机械设备也使用淡水,并通过系统冷却来形成中央冷却水系统。如果一些设备仅用海水冷却,这就是所谓的混合冷却系统。 在柴油淡水冷却系统中,有高温水回路和低温水回路。例如,使用高低温水系统参数,它是一种混流式中央冷却系统;如果高低温回路分开,那就是独立的中央冷却系统。在独立的中央冷却系统中,如果高温水热交换器采用低温淡水冷却,则它是独立式Ⅰ型,若使用海水冷却高温水,称为独立Ⅱ型。 在一些高速船例如集装箱船,船等中,其中央冷却器低温淡水冷却器也被称为冷却器,也可以设计用来冷却通过船舶的航速获得的海水,称为自流式中央冷却系统,这是一种独立式的特殊形式。

3.冷却水系统的原理
       冷却水系统可分为海水冷却系统,淡水冷却系统。而淡水冷却系统又可分为低温水冷却系统和高温水冷却水系统(又称缸内水冷却系统)。大型船舶大多使用中央冷却水系统,因此该系统也可以组合在一起称为冷却水系统。这里我们介绍传统的海水冷却系统和独立的中央冷却水系统。  

3.1传统的海水冷却系统
       传统的海水冷却系统由两个海水冷却泵,油冷却器,缸内水冷器,温控阀和回流管等组成。 其工作原理是海水泵从海水闸门和海水管道吸入海水,然后分为两种方式:一种方式是向空气冷却器的主机,另一种方式是将海水送入油冷却器,以及然后在淡水冷却器与来自主冷却器的排出水一起流动之后,通过三通恒温器直接向外侧或返回到海水泵入口。 由于季节或航行区域的影响,海水的温度始终在变化。因此,在海水排放管道上安装了三通恒温阀。当海水温度低于设定温度时,海水返回海水入口,以改善海水的温度。三通恒温阀的开启和关闭由安装在海水泵出水管上的温度传感器控制。 该船通常至少有两个海水门,两侧排列,尽可能低。其中一个也可以是一个高海水门;一个可以是一个低海水门。在浅水航行中可以使用高海水门来防止沉淀物的吸入。但出于安全原因,大型船舶设置了三个海水门,一个高海水门,两个低水门。 海水应先冷却润滑油,然后用淡水冷却器将淡水冷却至。这是因为油温低于淡水,粘度高,热交换性能比淡水差。

3.2独立中央冷却水系统Ⅰ型
       独立Ⅰ型中央冷却水系统的工作原理是系统由三个独立的回路组成,即海水回路,高温淡水回路和低温淡水回路。 ⑴海水回路 海水回路非常简单,两个海水泵从海水主管吸入海水送入中央冷却器,冷却后的低温淡水直接排入舷外。 ⑵高温淡水回路 高温淡水回路(主缸水冷却系统),是一个闭环系统。两台高温淡水泵将高温淡水送入气缸主机,活塞和喷油器冷却,然后从主机最高点排出,经过三通恒温阀,高温淡水冷却器或旁路管道和燃气柜返回到高温淡水泵的吸气口。 在主机新鲜水排放管道中,安装并联水机或照明系统,利用高温淡水余热制造淡水,作为船上添加的淡水使用。这是一种节能设备。 安装在高温淡水冷却器进出水旁路管路上的三路恒温阀用于控制主机新鲜出水温度,一般要求主机新鲜出水温度控制在80℃左右。主机的淡水温度的调整可以通过三种不同的方式来实现。 ①调整进入冷却器的淡水量。②调整进入主机的淡水量。 ③调整进入高温淡水冷却器的低温淡水或海水的量。虽然这三种方法可以调节淡水的温度,但实际上后两种方法会导致主机进出水温度过大或响应过慢,这在船上很少使用。另外三通恒温阀可安装在冷却器入口管路上,也可位于出口管路上。该系统还具有高温水膨胀箱,可以: 1)当温度变化引起体积变化时,允许新鲜水在密闭循环管路中流动,引起肿胀 2)由于局部热量排出管道中的汽化气体。因此在淡水出口的最高点一般连接一个通风管道,并与膨胀水箱连接。 3)可在水箱膨胀时使用静压头,使吸水管始终保持高水压,避免管内低压汽化,保持压力稳定 4)可以使用膨胀水箱添加新鲜水分损失 5)在加药点处理水质 ⑶低温淡水回路 低温淡水回路也是一个闭环系统。整个回路与传统的海水冷却系统相同,但它也必须由海水冷却。在实际的船舶中,低温水也分为几种方式:柴油发电机,空气冷却器,空气压缩机,空调,制冷,大气冷凝器等。该系统要复杂得多。 该回路中的三通恒温阀安装在中央冷却器出口处。低温淡水冷却器的出口温度一般控制在36°C,同时还安装了特殊的低温膨胀水箱。
当系统位于两个泵中时,其中一个泵是备用的,需要自动启动并进行转换。 独立Ⅱ型中央冷却水系统与Ⅰ型的区别在于,中央冷却器称为低温淡水冷却器,由海水冷却,与高温淡水冷却器相同,工作原理和系统基本相同。另外,封闭循环系统中的冷却泵和冷却器的位置可以以两种不同的方式变化。这两种布置的主要区别在于淡水泵是直接连接到淡水入口管线还是出口管线。来自冷却泵的淡水首先进入主发动机进气口,可以保持主机内的冷却水保持高压,使气缸冷却室内的冷却水不易蒸发,保证良好的冷却柴油机的作用。这种布置的缺点是来自主机进入冷却器的冷却水的压力已经降低,并且海水可能泄漏到冷却器管板处发生的淡水中。淡水通过冷却泵排出,首先进入淡水冷却器,然后再到主机的组件冷却,最后返回到冷却泵吸入口。这种安排的优点和缺点恰恰相反。